WO2013084308A1 - 取付用ボスおよびファンケース - Google Patents

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case
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修 大都
重成　有
敬 原田
務 村上
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株式会社Ihi
株式会社Ｉｈｉエアロスペース
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    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a mounting boss, and particularly to a mounting boss suitable for a member made of a fiber reinforced composite material such as a fan case of an aircraft engine and a fan case including the mounting boss.
  • FRP fiber reinforced resin
  • CFRP carbon fiber reinforced resin
  • GFRP glass fiber reinforced resin
  • KFRP Kevlar fiber reinforced resin
  • a member made of FRP is typically manufactured by winding reinforcing fibers around an appropriate mandrel, impregnating this with a thermosetting resin, and curing it by heating.
  • FRP has an extremely high strength at a site where the reinforcing fibers are continuous, but the high strength is significantly reduced at a site where the reinforcing fiber is not continuous. This causes a problem when an auxiliary machine is added to a member made of FRP.
  • Patent Document 1 discloses a composite material structure having an installation flange.
  • An object of the present invention is to provide a mounting boss capable of firmly fixing an auxiliary machine by a simple method such as fastening a bolt.
  • a boss for attaching an accessory to a fan case of an engine includes a plurality of stacked reinforcing fibers and a matrix for bonding the reinforcing fibers to each other, and the fan A pedestal having a bottom surface that can be in close contact with the outer surface of the case; and an embedded body that is embedded in the pedestal and includes a coupling structure that can be coupled to the auxiliary device.
  • the fan case of the engine to which the auxiliary machine is attached is a case main body made of a fiber reinforced composite material, and a boss joined to the outer peripheral surface of the case main body, and stacked.
  • a pedestal comprising a plurality of layers of reinforcing fibers and a matrix for binding the reinforcing fibers to each other, and having a bottom surface shaped to be in close contact with the outer surface of the case body; embedded in the pedestal and coupled to the auxiliary machine
  • a boss comprising an implant including a possible coupling structure.
  • FIG. 1A is a plan view of a part of a mounting boss and a fan case according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is an elevational sectional view of a part of the mounting boss and the fan case.
  • FIG. 2A is an elevational sectional view of the mounting boss.
  • FIG. 2B is a plan view of the mounting boss embedded body.
  • FIG. 2C is an elevational view of the implant.
  • FIG. 3 is a partial elevational view of the fan case showing a state in which the auxiliary machine is mounted by the mounting boss.
  • FIG. 4 is an elevational view of the fan case showing a state in which the auxiliary machine is mounted by the mounting boss, and FIG. 3 is taken from an arrow III.
  • the present embodiment of the present invention can be suitably applied to a fan case made of FRP in, for example, an aircraft jet engine, but can also be applied to various other devices made of FRP or a non-metallic material.
  • the aircraft engine 3 includes a fan 5 at the forefront thereof.
  • a portion 1 that surrounds the fan 5 is called a fan case.
  • the entire fan case 1 has a substantially cylindrical shape, and is made of, for example, FRP such as CFRP.
  • the fan case 1 made of FRP is manufactured by winding a reinforcing fiber such as carbon around a mandrel corresponding to the shape of the fan case 1, impregnating it with a thermosetting resin, and curing it by heating.
  • the thermosetting resin may be impregnated in advance with reinforcing fibers.
  • the fan case 1 includes a main body 9 and flanges 11 and 15 projecting outward at both ends of the main body 9.
  • the front flange 11 has a front case 13 and the rear flange 15 has a rear case 17. It is concluded.
  • one or more auxiliary machines 7 are attached to the outer surface of the main body 9 via a plurality of mounting bosses 21.
  • One or more mounting bosses are assigned to one auxiliary machine.
  • each mounting boss 21 generally includes a pedestal 23 and an embedded body 25 embedded therein.
  • the pedestal 23 has a bottom surface having a shape corresponding to the outer surface of the fan case 1, so that it can be in close contact with the fan case 1.
  • the base 23 and the fan case 1 are joined by an adhesive made of epoxy resin or the like. Other coupling methods may be used if possible.
  • the embedded body 25 has a coupling structure that can be coupled to the auxiliary machine 7, and is thus coupled to the auxiliary machine 7.
  • the pedestal 23 generally includes a plurality of stacked reinforcing fibers S and a matrix for bonding the reinforcing fibers S to each other.
  • the reinforcing fiber S is, for example, a carbon fiber.
  • any one or more fibers such as glass, aramid including Kevlar, and Dyneema can be used.
  • the plurality of layers are preferably stacked in parallel to the outer surface of the fan case 1 from the viewpoint of resisting a force parallel to the outer surface of the fan case 1, but may be in other directions.
  • the fibers of each layer are preferably oriented in directions that are not parallel to each other, but may be parallel.
  • the matrix is typically a thermosetting resin, but may be other materials if possible.
  • the thermosetting resin include an epoxy resin, a phenol resin, and a polyimide resin.
  • the shape is preferably widened toward the bottom surface, and examples thereof include a truncated cone and a truncated pyramid.
  • the upper part has an appropriate shape such as a cylinder, a prism, a truncated cone, and a truncated pyramid, and the lower part is combined with an appropriate shape such as a wider cylinder, a prism, a truncated cone, and a truncated pyramid. There may be.
  • the embedded body 25 is made of a metal such as stainless steel. Alternatively, a resin such as polycarbonate or an appropriate ceramic may be applied.
  • the embedded body 25 has an appropriate coupling structure that can be coupled to the auxiliary machine 7, which is a screw hole 27 in which a bolt can be fastened in the illustrated example.
  • the boss 21 and the auxiliary machine 7 are coupled by the bolt 19 inserted through the bolt hole 7 h of the flange 7 f of the auxiliary machine 7.
  • an engagement hole such as a key hole that engages with the key may be used. Alternatively, it may be a protrusion for coupling such as a hook or other appropriate structure.
  • the embedded body 25 includes a retaining portion 29 configured to retain from the pedestal 23.
  • the lower part protrudes in the radial direction with respect to the neck part.
  • the diameter gradually increases toward the lower end, but the vicinity of the center of the embedded body 25 may bulge like a barrel. Moreover, it may replace with the shape which expands gradually, and the structure which protrudes steeply like a flange may be sufficient.
  • the portion of the pedestal 23 that is in contact with the neck portion inevitably has a smaller diameter than the portion where the embedded body 25 is expanded in diameter, and locks this, so that the embedded body 25 is prevented from coming off.
  • the embedded body 25 further includes a rotation preventing portion 31 configured to prevent rotation with respect to the pedestal 23.
  • the retaining portion 29 is partially cut away, so that the diameter is uneven in the circumferential direction.
  • the whole may be a prism, star, or gear.
  • the anti-rotation part 31 whose diameter is not uniform in the circumferential direction is not limited to the vicinity of the bottom of the embedded body 25 and may be any part. When a force is applied in the direction in which the embedded body 25 is rotated, the anti-rotation portion 31 having a non-uniform diameter in the circumferential direction resists this and prevents the embedded body 25 from rotating.
  • the base 23 and the embedded body 25 may be bonded with an appropriate adhesive. Or you may fix only by mutual fitting. In any case, the pedestal 23 and the embedded body 25 are preferably in close contact with each other without a gap.
  • a cover 33 is preferably adhered to these so as to cover a part of the outer surface of the fan case 1 and the base 23.
  • the cover 33 is preferably made of FRP like the base 23, but other materials may be applied.
  • the cover 33 has an opening 35. Around the opening 35, the cover 33 also covers the embedded body 25, but the entire upper surface of the embedded body 25 may be exposed.
  • the edge of the adhesive interface between the bottom surface of the pedestal 23 and the outer surface of the fan case 1 is likely to be a base point for peeling.
  • the cover 33 inevitably covers such a portion, and resists the tensile stress, thereby providing resistance to peeling.
  • the cover 33 can be used to adjust the height of the mounting boss 21.
  • the auxiliary machine can be firmly fixed without impairing the advantages of the FRP fan case. it can. Further, since it is bonded to the fan case by a bottom surface having a sufficient area, the mounting boss 21 exhibits a high resistance against dropping or displacement of the auxiliary machine. Furthermore, the mounting boss 21 can be installed at any place, and can be installed even after the fan case is manufactured, so that the auxiliary machine can be attached to any part at any time.
  • a mounting boss is provided that enables the auxiliary machine to be firmly fixed by a simple method such as fastening a bolt.

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Abstract

　エンジンのファンケースに補機を取り付けるためのボスは、積み重ねられた複数の層の強化繊維と、前記強化繊維を互いに結合するマトリックスとを含み、前記ファンケースの前記外面に密着可能な形状の底面を備えた台座と、前記台座に埋め込まれ、前記補機と結合可能な結合構造を含む埋込体と、を備える。

Description

取付用ボスおよびファンケース
　本発明は、取付用ボスに関し、特に航空機エンジンのファンケースのごとき繊維強化複合材料よりなる部材に好適な取付用ボスおよびこれを含むファンケースに関する。
　航空機エンジンは、空気を取り入れる目的でその最前段にファンを備え、その周囲はファンケースにより囲われている。軽量化および高強度化のために、しばしばファンケースに繊維強化樹脂（ＦＲＰ）が適用される。ＦＲＰは、代表的には炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）であるが、ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）やケブラー繊維強化樹脂（ＫＦＲＰ）も例示できる。
　ＦＲＰよりなる部材は、典型的には、強化繊維を適宜のマンドレルに巻付け、これに熱硬化性樹脂を含浸し、加熱により硬化させることにより製造される。強化繊維が連続している部位において、ＦＲＰは極めて高い強度を有するが、連続しない部位において、かかる高強度は著しく減ぜられてしまう。このことは、ＦＲＰよりなる部材に補機を付加するときに、問題を生ずる。
　特許文献１は、据付フランジを有する複合材構造を開示している。
米国特許出願公開２００８／０１１８６８３Ａ１
　本発明は、ボルトの締結のような簡易な方法によって補機を強固に固定することを可能にする取付用ボスを提供することを目的とする。
　本発明の第１の局面によれば、エンジンのファンケースに補機を取り付けるためのボスは、積み重ねられた複数の層の強化繊維と、前記強化繊維を互いに結合するマトリックスとを含み、前記ファンケースの前記外面に密着可能な形状の底面を備えた台座と、前記台座に埋め込まれ、前記補機と結合可能な結合構造を含む埋込体と、を備える。
　本発明の第２の局面によれば、補機が取り付けられるエンジンのファンケースは、繊維強化複合材料よりなるケース本体と、前記ケース本体の外周面に接合されたボスであって、積み重ねられた複数の層の強化繊維と、前記強化繊維を互いに結合するマトリックスとを含み、前記ケース本体の前記外面に密着可能な形状の底面を備えた台座と、前記台座に埋め込まれ、前記補機と結合可能な結合構造を含む埋込体と、を備えたボスと、を備える。
図１Ａは、本発明の一実施形態による取付用ボスとファンケースの一部の平面図である。 図１Ｂは、前記取付用ボスと前記ファンケースの一部の立面断面図である。 図２Ａは、前記取付用ボスの立面断面図である。 図２Ｂは、前記取付用ボスの埋込体の平面図である。 図２Ｃは、前記埋込体の立面図である。 図３は、前記取付用ボスにより補機が取り付けられた状態を示すファンケースの部分立面図である。 図４は、前記取付用ボスにより前記補機が取り付けられた状態を示す前記ファンケースの立面図であって、図３は矢印ＩＩＩから取られている。
　添付の図面を参照して以下に本発明の幾つかの例示的な実施形態を説明する。
　添付の図面においてＦＦは前方を、ＦＲは後方を意味するが、この区別は発明に対して限定的でない。
　本発明の本実施形態は、例えば航空機のジェットエンジンにおけるＦＲＰよりなるファンケースに好適に適用できるが、ＦＲＰあるいは非金属材料よりなる他の種々の機器にも適用できる。
　主に図４を参照するに、航空機のエンジン３は、その最前段にファン５を備える。その大部分を覆うナセルにおいて、特にファン５を囲む部分１はファンケースと呼ばれる。ファンケース１の全体はほぼ円筒形をなしており、例えばＣＦＲＰ等のＦＲＰよりなる。ＦＲＰよりなるファンケース１は、ファンケース１の形状に対応したマンドレルに炭素等の強化繊維を巻付け、これに熱硬化性樹脂を含浸し、加熱により硬化させることにより製造される。熱硬化性樹脂は、予め強化繊維に含浸されていてもよい。
　通常、ファンケース１は、本体９と、本体９の両端において外方に突出したフランジ１１，１５とを備え、フロントフランジ１１においてフロントケース１３に、リアフランジ１５においてリアケース１７に、それぞれボルトにより締結される。
　主に図３を参照するに、本体９の外面には、一以上の補機７が複数の取付用ボス２１を介して取り付けられる。一の補機につき一ないし複数の取付用ボスが割り当てられる。
　図１Ａおよび図１Ｂを参照するに、各取付用ボス２１は概して、台座２３と、これに埋め込まれた埋込体２５と、よりなる。台座２３は、ファンケース１の外面に対応した形状の底面を有し、以ってファンケース１に密着できる。通常、エポキシ系樹脂等よりなる接着剤により、台座２３とファンケース１とは結合される。可能ならば他の結合方法でもよい。埋込体２５は、補機７と結合可能な結合構造を有し、以って補機７と結合する。
　図２Ａを参照するに、台座２３は概して、積み重ねられた複数の層の強化繊維Ｓと、強化繊維Ｓを互いに結合するマトリックスと、よりなる。強化繊維Ｓは、例えばカーボンファイバである。あるいは、カーボンファイバに代えて、または加えて、ガラス、ケブラーを含むアラミド、ダイニーマ等の何れか一以上の繊維が利用できる。複数の層は、ファンケース１の外面に平行な力に抗する観点からは、ファンケース１の外面に平行に積み重ねられることが好ましいが、他の向きでもよい。また強度の異方性を減ずる観点からは、各層の繊維が互いに平行でない方向に向けられていることが好ましいが、平行であってもよい。マトリックスは、典型的には熱硬化性樹脂だが、可能ならば他の素材でもよい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂が例示できる。
　円柱や角柱等の種々の形状が、台座２３に適用できる。ファンケース１に対する接着面積を増大する観点からは、その形状は底面に向かって拡幅する形状が好ましく、例えば円錐台や角錐台が例示できる。あるいは、その上部が円柱、角柱、円錐台、角錐台等の適宜の形状であって、その下部に、より幅広の円柱、角柱、円錐台、角錐台等の適宜の形状が結合された形状であってもよい。
　図２Ｂおよび図２Ｃを参照するに、埋込体２５は、例えばステンレスのごとき金属よりなる。あるいは、ポリカーボネートのごとき樹脂や適宜のセラミックを適用してもよい。埋込体２５は補機７と結合可能な適宜の結合構造を備え、それは図示の例ではボルトを締結可能なねじ穴２７である。図１Ｂに例示されるごとく、補機７のフランジ７ｆが有するボルト穴７ｈに挿通されたボルト１９によって、ボス２１と補機７とが結合する。ねじ穴に代えて、キーと係合するキー穴のごとき係合のための係合穴でもよい。あるいは、フック等の結合のための突起または他の適宜の構造であってもよい。
　埋込体２５は、台座２３から抜け止めするべく構成された抜け止め部２９を備える。図示の例では、首部に対して、その下部は径方向に突出している。また図示の例では、下端に向かって次第に拡径しているが、樽のごとく埋込体２５の中央付近が膨出していてもよい。また次第に拡径する形状に代えて、フランジのごとく急峻に突出する構造であってもよい。台座２３において首部と接する部分は、埋込体２５が拡径した部位に比べて必然的に小径となり、これを係止するので、埋込体２５は抜け止めされる。
　埋込体２５は、さらに、台座２３に対して回り止めするべく構成された回り止め部３１を備える。図示の例では、抜け止め部２９が部分的に切り欠かれており、以って周方向に径が不均一になっている。切り欠きに代えて、その全体が角柱形、星形、あるいはギア形であってもよい。あるいは、抜け止め部２９以外の部位において、周方向に径が不均一な部位を設けてもよい。周方向に径が不均一な回り止め部３１は、埋込体２５の底付近に限らず、何れの部位であってもよい。埋込体２５を回転させる向きに力が加わったとき、周方向に径が不均一な回り止め部３１はこれに抵抗して、埋込体２５を回り止めする。
　台座２３と埋込体２５との間は、適宜の接着剤により接着されていてもよい。あるいは、互いの嵌合のみにより固定されていてもよい。いずれにせよ、好ましくは台座２３と埋込体２５との間は隙間無く密着せしめる。
　図１Ａおよび図１Ｂに戻り、好ましくはファンケース１の外面の一部と台座２３とを覆うように、カバー３３がこれらに接着される。カバー３３は、好ましくは、台座２３と同様にＦＲＰよりなるが、他の素材が適用されていてもよい。埋込体２５の結合構造へのアクセスのために、カバー３３は開口３５を有する。開口３５の周囲において、カバー３３は埋込体２５をも覆うが、埋込体２５の上面の全体が露出していてもよい。
　台座２３の底面とファンケース１の外面との接着界面の端は、剥離の基点となり易い。カバー３３は必然的にかかる部分を覆い、引張応力に抗するために、剥離に対する抵抗となる。またカバー３３は、取付用ボス２１の高さの調整に利用できる。
　取付用ボス２１は、その大部分がＦＲＰ等の軽量な素材よりなり、かつファンケースに穴を開ける必要がないので、ＦＲＰ製ファンケースの利点を損なわずに補機を強固に固定することができる。また十分な面積を有する底面によってファンケースに接着されているので、取付用ボス２１は補機の脱落ないし変位に対して高い抵抗を発揮する。さらに取付用ボス２１は設置する場所を選ばず、またファンケースの製造後においても設置することが可能なので、補機を任意の時点で任意の部位に取り付けることを可能にする。
　好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。
　ボルトの締結のような簡易な方法によって補機を強固に固定することを可能にする取付用ボスが提供される。

Claims (16)

  1. 　エンジンのファンケースに補機を取り付けるためのボスであって、
    　積み重ねられた複数の層の強化繊維と、前記強化繊維を互いに結合するマトリックスとを含み、前記ファンケースの前記外面に密着可能な形状の底面を備えた台座と、
    　前記台座に埋め込まれ、前記補機と結合可能な結合構造を含む埋込体と、
    　を備えたボス。
  2. 　請求項１のボスであって、前記結合構造は、ボルトを締結可能なねじ穴、前記補機と係合可能な係合穴、および前記補機と係合可能な突起、よりなる群より選択された一を含む。
  3. 　請求項１のボスであって、前記埋込体は、首部と、前記首部より径方向に突出した抜け止め部とを備える。
  4. 　請求項１のボスであって、前記埋込体は、周方向に径が不均一である回り止め部を備える。
  5. 　請求項１のボスであって、前記埋込体は、金属よりなる。
  6. 　請求項１のボスであって、前記台座は、前記底面に向かって拡幅する形状をなす。
  7. 　請求項１のボスであって、前記複数の層は、前記ファンケースの外面に平行に積み重ねられている。
  8. 　請求項１のボスであって、さらに、
    　前記ファンケースの外面の一部と前記台座とを覆って接着されたカバーを備える。
  9. 　補機が取り付けられるエンジンのファンケースであって、
    　繊維強化複合材料よりなるケース本体と、
    　前記ケース本体の外周面に接合されたボスであって、
    　積み重ねられた複数の層の強化繊維と、前記強化繊維を互いに結合するマトリックスとを含み、前記ケース本体の前記外面に密着可能な形状の底面を備えた台座と、
    　前記台座に埋め込まれ、前記補機と結合可能な結合構造を含む埋込体と、
    　を備えたボスと、
    　を備えたファンケース。
  10. 　請求項９のファンケースであって、前記結合構造は、ボルトを締結可能なねじ穴、前記補機と係合可能な係合穴、および前記補機と係合可能な突起、よりなる群より選択された一を含む。
  11. 　請求項９のファンケースであって、前記埋込体は、首部と、前記首部より径方向に突出した抜け止め部とを備える。
  12. 　請求項９のファンケースであって、前記埋込体は、周方向に径が不均一である回り止め部を備える。
  13. 　請求項９のファンケースであって、前記埋込体は、金属よりなる。
  14. 　請求項９のファンケースであって、前記台座は、前記底面に向かって拡幅する形状をなす。
  15. 　請求項９のファンケースであって、前記複数の層は、前記ケース本体の外面に平行に積み重ねられている。
  16. 　請求項９のファンケースであって、さらに、
    　前記ケース本体の外面の一部と前記台座とを覆って接着されたカバーを備える。
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